DE2729110C2

DE2729110C2 - Radiation-fed phased array antenna

Info

Publication number: DE2729110C2
Application number: DE19772729110
Authority: DE
Inventors: Jean Dr. 8000 München Gobert; Rafael Dr. 8131 Perchting Reitzig
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1977-06-28
Filing date: 1977-06-28
Publication date: 1982-12-16
Also published as: DE2729110A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine strahiungsgespeiste phasengesteuerte Antennenanordnung mit einer Vielzahl von über elektronisch gesteuerte Phasenschieber gespeisten Einzelstrahlern unter Verwendung eines aus einer Strahlergruppe bestehenden Primärerregersystems, bei dem unterschiedliche Bündelungscharakteristiken einstellbar sind, so daß der Strahl der Antennenanordnung hinsichtlich der Winkelbreite zwischen festen Werten veränderbar ist.The invention relates to a radiation-fed phased array antenna having a Large number of individual radiators fed via electronically controlled phase shifter using a Primary excitation system consisting of a group of radiators with different bundling characteristics are adjustable, so that the beam of the antenna arrangement in terms of angular width between fixed values can be changed.

Eine derartige strahiungsgespeiste phasengesteuerte Antennenanordnung ist aus der DE-OS 22 62 495, insbesondere Fig. 11 und deren Beschreibung, bekannt. Das Primärerregersystem besteht hierbei ebenfalls aus einer phasengesteuerten Strahlergruppe. Soll eine schmale Keule mit hohem Gewinn von der Antenne abgegeben werden, so wird die Primärstrahlergruppe phasenmäßig so gesteuert, daß ein divergierender Strahl auf die Einzelstrahler fällt. Ist dagegen die Abstrahlung einer breiten Keule mit niedrigem Gewinn beabsichtigt, so wird die ebene Primärstrahlergruppe phasenmäßig so eingestellt, daß ein stärker gebündelter Strahl auf die halbkugelförmig angeordneten Einzelstrahler trifft. Es ist somit stets die gesamte Fläche der Primärstrahlergruppe in aktivem Betrieb und es müssen zur Erzeugung verschieden breiter Antennenkeulen die Fokussierparameter aller Strahlerelemente der Primärstrahlergruppe umgeschaltet werden.Such a radiation-fed phase-controlled antenna arrangement is from DE-OS 22 62 495, in particular FIG. 11 and its description are known. The primary excitation system also consists of a phase-controlled emitter group. Should one If the antenna emits a narrow lobe with high gain, it becomes the primary radiator group controlled in phase so that a diverging beam falls on the individual radiators. On the other hand, is that If a broad lobe with low gain is intended to be emitted, the planar group of primary radiators is used Phased adjusted so that a more strongly focused beam on the hemispherical arranged individual radiators meets. It is therefore always the entire area of the primary radiator group in active operation and it must To generate antenna lobes of different widths, the focusing parameters of all radiator elements of the primary radiator group be switched.

Es ist auch bekannt, den Antennenstrahl einer phasengesteuerten Antennengruppe durch Defokussierungsmaßnahmen, d. h. durch Überlagerung der ebenen Phasenfront mit einer parabolischen Phasenbelegung, zu verbreitern. Die Defokussierung wird dabei mit Hilfe der Phasenschieber vorgenommen. Dieses Verfahren läßt zwar die Möglichkeit einer kontinuierlich einstellbaren Strahlverbreiterung zu, bedingt dabei jedoch eine zunehmende Verschlechterung der Strahlungscharakteristik. Bei der Defokussierung sinkt insbesondere die Nebenzipfeldämpfung ab.It is also known to reduce the antenna beam of a phased array of antennas by defocusing measures, d. H. by superimposing the plane phase front with a parabolic phase assignment, to widen. The defocusing is done with the help of the phase shifter. This method allows the possibility of a continuously adjustable beam broadening, but requires one increasing deterioration of the radiation characteristics. In particular, the defocusing decreases Side lobe attenuation from.

Ähnliche Auswirkungen hat eine andere Methode zur Strahlverbreiterung einer phasengesteuerten Antennengruppe, wonach die Antennenapertur auf elektrischem Weg durch Abschalten der Einzelstrahler in den äußeren Randzonen verkleinert wird.Another method of beam broadening a phased array of antennas has similar effects, after which the antenna aperture electrically by switching off the individual radiators in the outer edge zones is reduced.

Aus der DE-OS 2133 842 ist es bekannt, zur Primarspeisung einer Parabolreflektor-Richtantenne ein System mit mehreren unterschiedlichen Primärstrahlern zu verwenden. Diese sind rund um den Umfang eines drehbar vor dem Parabolreflektor gelagerten Haltekörpers angeordnet. Für jeden der Primärstrahler ist eine Betriebseinraststellung vorgesehen, in welcher er in angeschlossenem Zustand mit seiner Strahlrichtung auf den Parabolreflektor ausgerichtet ist und in der sein Phasenzentrum mit dem Brennpunkt des Parabolreflektors zusammenfällt. Abgesehen davon, daß es sich bei dieser bekannten Antenne nicht um eine phasengesteuerte Anordnung handelt, besteht ein großer Nachteil bei der Einstellung unterschiedlicher Winkelbreiten des Antennenstrahls darin, daß das Primärspeisesystem mechanisch gedreht werden muß.From DE-OS 2133 842 it is known to Primary feeding of a parabolic reflector directional antenna a system with several different primary radiators to use. These can be rotated around the circumference of a parabolic reflector mounted holding body arranged. An operational locking position is provided for each of the primary radiators, in which it is aligned with its beam direction on the parabolic reflector when connected and in which its phase center coincides with the focal point of the parabolic reflector. Apart from that that this known antenna is not a phased array there is a major disadvantage in setting different angular widths of the antenna beam in that the primary feed system must be rotated mechanically.

Aus der DE-AS 15 41 462, insbesondere Fig. 9, ist eine strahiungsgespeiste phasengesteuerte Antennenanordnung bekannt, deren Primärstrahler Hornstrahler sind, die nebeneinander und zueinander geneigt angeordnet sind. Diese Hornstrahler weisen jedoch alle eine gleiche Bündelungscharakteristik auf und es soll keine Änderung der Winkelbreite der abgestrahlten Antennenkeule erzieh werden. Es sind bei dieser bekannten Antenne nur deswegen mehrere Hornstrahler zur Primärspeisung vorgesehen, weil ein Betrieb mit mehreren Sendern oder Empfängern ermöglicht werden soll.From DE-AS 15 41 462, in particular FIG. 9, one is Radiation-fed phase-controlled antenna arrangement known, the primary radiators of which are horn radiators, which are arranged side by side and inclined to one another. However, these horn antennas all have the same thing Focusing characteristic and there should be no change in the angular width of the radiated antenna lobe be educated. This is the only reason why there are several horn antennas for primary feeding in this known antenna intended because operation with several transmitters or receivers is to be made possible.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Antennensystem mit elektronisch gesteuerter Strahlschwenkung zu schaffen, dessen Strahl in seiner Winkelbreite zwischen festen Werten verändert werden kann, ohne daß dadurch notwendigerweise die Strahlungscharakteristik, vor allem bezüglich der Nebenzipfeldämpfung, verschlechtert wird. Es soll als Primärerregersystem zum einen keine phasengesteuerte Strahlergruppe wie nach der DE-OS 22 62 495 verwendet werden. Zum anderen sollen auch keine mechanischen Bewegungen des Primärerregersystems erforderlich sein.The object of the invention is to create an antenna system with electronically controlled beam swivel, whose beam can be changed in its angular width between fixed values without this necessarily worsens the radiation characteristics, especially with regard to the side lobe attenuation will. As a primary excitation system, on the one hand there should be no phase-controlled radiator group as after the DE-OS 22 62 495 can be used. On the other hand, no mechanical movements of the Primary excitation system may be required.

Gemäß der Erfindung, die sich auf eine strahiungsgespeiste phasengesteuerte Antennenanordnung der eingangs genannten Art bezieht, wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß das Primärerregersystem aus mehreren nebeneinander und zueinander geneigt angeordneten Hornerregern besteht, die unterschiedliche Bündelungscharakteristiken aufweisen und zwischen denen umgeschaltet werden kann, und daß die durch die zueinander geneigte Anordnung der Hornerreger bedingten Phasenfehler durch die Phasenschieber korrigiert werden.According to the invention, which is based on a radiation-fed phase-controlled antenna arrangement of the initially referred to type, this object is achieved in that the primary excitation system from several horns arranged next to each other and inclined to each other, the different Have bundling characteristics and can be switched between, and that the phase errors caused by the phase shifter due to the mutually inclined arrangement of the horn exciters Getting corrected.

Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, daß in den verschiedenen Betriebsarten, d. h. für unterschiedliche Winkelbreiten des Antennenstrahls, die Apertur der phasengesteuerten Antennengruppe nach dem Gesichtspunkt möglichst hoher Nebenzipfeldämpfung ausgeleuchtet wird.The invention is characterized in that in the various operating modes, i. H. for different Angular widths of the antenna beam, the aperture of the phased array antenna according to the point of view the highest possible side lobe attenuation is illuminated.

In der Praxis wird gewöhnlich die Amplitudenbelegung einer entweder nach dem Reflektor- oder dem Linsenprinzip arbeitenden, strahlungsgespeisten phasengesteuerten Antenne so gewählt, daß am Rande der Apertur noch ein Mindestmaß an Energie vorhanden ist. Sonst ist die Apertur überdimensioniert und der Wirkungsgrad der Antenne niedrig. Es ist aber bekannt, daß in diesem Fall die Nebenzipfel außerordentlich niedrig werden können.In practice, the amplitude occupancy is usually either after the reflector or the Lens principle working, radiation-fed phase-controlled antenna chosen so that at the edge of the Aperture still a minimum amount of energy is available. Otherwise the aperture is oversized and the Antenna efficiency low. But it is known that in this case the side lobes are extraordinary can get low.

Bei einer strahlungsgespeisten Antenne mit elektronischer Strahlschwenkung nach dem Prinzip der Mikrowellenlinse oder nach dem Reflektorprinzip, bei welcher die Phasenverschiebungen zwischen der Kollektor- undWith a radiation-fed antenna with electronic beam swiveling based on the principle of the microwave lens or according to the reflector principle, in which the phase shifts between the collector and

Kollektorstrahlern 7. An die Kollektorstrahler 7 ist jeweils ein Phasenschieber 8 angeschlossen. Dort wird die Hochfrequenzspannung in der Phase aufgrund der Ausgangsgrößen eines Phasenrechners beeinflußt und anschließend von Emitterstrahlern 9 als ebene Welle abgestrahlt. Die Phasenschieber 8 wandeln demnach die Primärwelle in eine zumindest näherungsweise ebene Welle um. Die beiden Hornerre<?er 5 und 6 sind nebeneinander angebracht, wobei der Hornerreger 6 zur Abstrahlung eines stark gebündelten Strahls von der Antennenanordnung und der Hornerreger ¹^ zur Abstracting eines schwächer gebündelten, d. h. verbreiterten Strahls, von der Antennenanordnung dienen soll. Der Hornerreger 5 selbst hat hierfür eine schärfere Bündelungscharaktiristik (Primärbündclung) als der Hornerreger 6.Collector radiators 7. A phase shifter 8 is connected to each collector radiator 7. There the high-frequency voltage in the phase is influenced on the basis of the output variables of a phase computer and then emitted by emitter radiators 9 as a plane wave. The phase shifters 8 accordingly convert the primary wave into an at least approximately flat wave. The two horns 5 and 6 are attached next to each other, the horn exciter 6 being used to emit a strongly bundled beam from the antenna arrangement and the horn exciter ¹ ^ to abstracting a weaker bundled, ie widened beam from the antenna arrangement. The horn exciter 5 itself has for this purpose a sharper bundling characteristic (primary bundling) than the horn exciter 6.

Hornstrahler, deren Strahlungscharakteristik eine hohe Nebenzipfeldämpfung aufweisen soll, erfordern eine gewisse Länge, die mehrere Vielfache der linearen Abmessung der Apertur betragen kann. Außerdem ist die Ausleuchtung der Aperturfiäche mit Jen Kollektorstrahlern 7 unsymmetrisch, da die beiden Hornerreger 5 und 6 zueinander geneigt sind. Während dadurch bedingte Phasenfehler grundsätzlich durch die Phasenschieber 8 korrigiert werden können, ist für eine möglichst unverzerrte Amplitudenbelegung ein großes F/D-Verhältnis erforderlich (F = Brennweite, D = Aperturdurchmesser). Anordnungen dieser Art sind jedoch vor allem für mobile Systeme ungeeignet, insbesondere wenn die Wellenlänge verhältnismäßig groß ist.Horn radiators, the radiation characteristics of which should have a high side lobe attenuation, require a certain length, which can be several multiples of the linear dimension of the aperture. In addition, the illumination of the aperture surface with Jen collector radiators 7 is asymmetrical, since the two horn exciters 5 and 6 are inclined to one another. While phase errors caused by this can in principle be corrected by the phase shifter 8, a large F / D ratio is required for an amplitude assignment that is as undistorted as possible (F = focal length, D = aperture diameter). However, arrangements of this type are particularly unsuitable for mobile systems, especially when the wavelength is relatively long.

der Emitterapertur der Einzelstrahler stattfinden, häng! die Amplitudenbelegung von der Bündelung des Erregersystems ab. Es wird meistens eine Art kosinusförmige Belegung mit ca. 10 bis 16 dB am Rand der Kollektorapertur definiert, um einen dünnen Strahl mit Nebenzipfeln unter ca. 25 dB zu erzeugen. Wird die Kollektorapertur mit einem stark gebündelten Erregerstrahl beleuchtet, so verbreitert sich entsprechend der phasengesteuerte Strahl. Niedrige Nebenzipfel können dadurch gewonnen werden, daß der Primärerreger ein Richtdiagramm ohne Schulter und mit niedrigen Nebenzipfeln aufweist, was z. B. durch einen geriffelten Hornschalter erreicht wird. Die Phasenschieber werden für eine ebene Phasenfront vor der Emitterseite eingestellt.the emitter aperture of the individual radiators take place, hang! the amplitude occupancy depends on the bundling of the excitation system. It mostly becomes a kind cosine-shaped occupancy with approx. 10 to 16 dB at the edge of the collector aperture defined around a thin beam with side lobes below approx. 25 dB. Becomes the collector aperture with a strongly bundled excitation beam illuminated, the phased beam widens accordingly. Low sidelobes can can be obtained in that the primary exciter is a directional diagram without shoulder and with low Has side lobes, which z. B. is achieved by a fluted horn switch. The phase shifters are set for a flat phase front in front of the emitter side.

Die Erfindung wird anhand eines in einer Figur dargestellten Ausführungsbeispiels, das eine phasengesteuerte Antenne mit einem aus zwei getrennten Primärstrahlern bestehenden Primärerregersysiem zeigt, im folgenden erläutert.The invention is based on an embodiment shown in a figure, which is a phase-controlled Antenna with a primary exciter system consisting of two separate primary radiators shows, explained below.

Die in der Figur dargestellte Antennenanordnung wird von einem Sender 1 gespeist oder betreibt einen Empfänger 2, wobei die Umschaltung zwischen dem Sender 1 und dem Empfänger 2 in bekannter Weise mittels eines Sende-Empfangs-Schalters 3 vorgenommen wird. An diesen Schalter 3 ist über einen Umschalter 4 entweder ein Hornerreger 5 oder ein Hornerreger 6 einschließlich Monopulserreger angeschlossen, von denen eine Primärwelle, gewöhnlich eine Kugelwelle, ausgeht. Die von den Hornerregern 5 bzw. 6 ausgehenden Primärwellen treffen auf eine Wand vonThe antenna arrangement shown in the figure is fed by a transmitter 1 or operates a receiver 2, the switching between the transmitter 1 and the receiver 2 being carried out in a known manner by means of a transmit / receive switch 3. Either a horn exciter 5 or a horn exciter 6 including monopulse exciter, from which a primary wave, usually a spherical wave, emanates, is connected to this switch 3 via a changeover switch 4. The primary waves emanating from the horns 5 and 6 hit a wall of

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen1 sheet of drawings

Claims

Claim:

Radiation-fed phase-controlled antenna arrangement with a large number of individual radiators fed via electronically controlled phase shifter using a primary exciter system consisting of a group of radiators, in which different bundling characteristics can be set, so that the beam of the antenna arrangement can be changed in terms of the angular width between fixed values characterized in that the primary exciter system consists of several horn exciters (5, 6) arranged next to one another and inclined to one another, which have different bundling characteristics and which can be switched between, and that the horn exciters (5, 6) conditional phase error corrected by the phase shifter (9) we ^r the.